第 1 章 緒 論

1.1 研究背景及意義
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)也在逐漸發(fā)展從而趨于成熟，與之相關(guān)的軟件平臺(tái)以及數(shù)字立體攝影測(cè)量工作站也在不斷普及。但長(zhǎng)期以來，攝影測(cè)量以航空攝影—攝影數(shù)據(jù)處理—地面測(cè)量（空中三角測(cè)量）—立體化測(cè)量—數(shù)字制圖（DLG、DTM、GIS 及其他）的基本模式其實(shí)質(zhì)上沒有大的變化[1]。這種周期太長(zhǎng)的攝影測(cè)量技術(shù)生產(chǎn) DLG模式，已經(jīng)不適合當(dāng)前信息社會(huì)快速發(fā)展的需要，甚至無法達(dá)到目前“數(shù)字地球”對(duì)測(cè)繪這行業(yè)的要求。因此，相對(duì)可靠且高效的機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)才得以廣泛運(yùn)用[1]。目前隨著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣泛，并且現(xiàn)在研究激光雷達(dá)技術(shù)制作線劃圖的文獻(xiàn)也有不少，但是發(fā)現(xiàn)大多數(shù)仍然過于籠統(tǒng)，制作步驟不夠詳細(xì)。因此為了滿足相關(guān)測(cè)量單位的需求，研究并總結(jié)出一套詳細(xì)且高效的 DLG 生產(chǎn)流程至關(guān)重要。數(shù)字線劃圖（DLG，Digital Line Graphic）基本與現(xiàn)有線劃圖一致，是一個(gè)包含了各地圖要素以及各要素間的空間關(guān)系和相關(guān)屬性信息的矢量數(shù)據(jù)集，是國(guó)家各項(xiàng)基礎(chǔ)工程建設(shè)所必須的資料。在數(shù)字線劃圖中確定目標(biāo)地物的具體位置以及其與周邊地物的相互關(guān)系是非�？焖偾覝�(zhǔn)確地。目前有兩種最常用的生產(chǎn)DLG 的方法：一個(gè)是數(shù)字化測(cè)圖�？刂凭W(wǎng)的建立—外業(yè)數(shù)據(jù)測(cè)量—根據(jù)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)繪制 DLG；另一個(gè)是航測(cè)制圖。首先對(duì)航測(cè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后進(jìn)行空中三角測(cè)量與立體化測(cè)量，最后通過室內(nèi)編輯結(jié)合外業(yè)調(diào)繪成果生成DLG 產(chǎn)品[2]。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)集成了激光、計(jì)算機(jī)、姿態(tài)測(cè)定以及 GPS 動(dòng)態(tài)差分定位等技術(shù)[3]。在目前的工程應(yīng)用方面具有很大的研究意義，并且在生產(chǎn)實(shí)踐中，很多甲方單位要求制作數(shù)字線劃圖，而大多數(shù)生產(chǎn)單位對(duì)利用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)制作數(shù)字線劃圖缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，也欠缺熟悉該生產(chǎn)流程的技術(shù)員工。因此，，有必要整理出一套有效且詳細(xì)的利用 LIDAR 數(shù)據(jù)制作 DLG 的生產(chǎn)流程規(guī)范。
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1.2 LIDAR 技術(shù)發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀
激光雷達(dá)測(cè)高技術(shù)早在 20 世紀(jì) 70 年代就被應(yīng)用到登月計(jì)劃中。激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)隨后得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了很多機(jī)載系統(tǒng)如：大氣海洋機(jī)載激光系統(tǒng)（AOL）與機(jī)載地形測(cè)量設(shè)備（ATM）等[3]。第一套全固態(tài) LIDAR 系統(tǒng)于 1986年在斯坦福大學(xué)研制成功。1988 年，有關(guān)研究者開始對(duì)機(jī)載 LIDAR 斷面測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行研究；與此同時(shí)，激光雷達(dá)技術(shù)獲取地信信息的研究也開始進(jìn)行；第一套機(jī)載激光掃描系統(tǒng)在加拿大卡爾加里大學(xué)研究成功，對(duì)于推動(dòng) LIDAR 的發(fā)展有極其重要的意義。1999 年，東京大學(xué)實(shí)現(xiàn)了地面固定激光掃描系統(tǒng)試驗(yàn)[4]。由于相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在隨后的幾年里得到了迅速的發(fā)展，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都開始擁有屬于自己的機(jī)載 LIDAR 系統(tǒng)，與此同時(shí)一些商用的硬件設(shè)備也取得了豐碩的成果。并且隨著這些硬件的成熟，機(jī)載 LIDAR 系統(tǒng)的掃描精度可達(dá)到厘米級(jí)。但從各自技術(shù)參數(shù)方面來看，每個(gè)系統(tǒng)都存在著各自的優(yōu)劣性。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展相對(duì)較晚。但也取得了一定的成績(jī)。國(guó)內(nèi)第一臺(tái) LIDAR 掃描測(cè)距—成像系統(tǒng)的原理樣機(jī)的研制于 1996 年研制成功[5]。第一套沒有定位定向功能的地面 LIDAR 系統(tǒng)也隨繼出現(xiàn)[6]。在 1991 年到 1995 年期間，國(guó)內(nèi)完成了第一套應(yīng)用與海洋測(cè)量的機(jī)載激光探測(cè)系統(tǒng)[7]。并且從 2004 年開始，國(guó)內(nèi)的有些單位也相繼開始在國(guó)外采購(gòu)一些商用機(jī)載 LIDAR 系統(tǒng)來應(yīng)用到生產(chǎn)。
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第 2 章 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)介紹

2.1 機(jī)載激光 LIDAR 系統(tǒng)的組成
機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)以及GPS 動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)[25]。其主要組成部分包括：（1）動(dòng)態(tài)差分 GPS 接收機(jī)，利用差分解算確定激光發(fā)射點(diǎn)的瞬時(shí)位置；（2）用于測(cè)確定掃描裝置的主光軸參數(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或多天線陳列 GPS 系統(tǒng)；（3）激光測(cè)距儀，用于確定激光信號(hào)所經(jīng)過的距離；（4）用于拍攝地面影像數(shù)據(jù)，為之后的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理提供參考的成像裝置，通常采用 CCD 相機(jī)[3]。只要當(dāng)這些組成部分在時(shí)間上保持精確的同步時(shí)，才能使整個(gè)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)正常工作。全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）為廣大用戶解決了在地球表面的導(dǎo)航和定位問題。與傳統(tǒng)的通過靜態(tài)定位的方式來測(cè)定定位三維坐標(biāo)的方法相比，動(dòng)態(tài)差分定位在精度、效率、成本等方面都顯示出了非常大的優(yōu)勢(shì)[26]。在 GPS 定位時(shí)，一般都會(huì)受到對(duì)流層、電離層的誤差影響，以及多路徑效應(yīng)的存在，未經(jīng)改正的定位精度不會(huì)很高。但是對(duì)這些因素進(jìn)行一定的改正后其定位精度能夠達(dá)到10cm 的水平[27]。但是直接將差分 GNSS 定位技術(shù)運(yùn)用到機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)中也有不足之處，如需要布設(shè)基站所造成的成本相對(duì)較高，定位距離受限制等。然而隨著 GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)的出現(xiàn)改變了以往的這種現(xiàn)狀，精密單點(diǎn)定位不一樣之處在于它將普通單點(diǎn)定位技術(shù)和差分定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，并克服了兩者的缺點(diǎn)，它的出現(xiàn)是 GPS 定位技術(shù)繼 RTK 定位技術(shù)后的又一次技術(shù)革命�？紤]到機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量區(qū)域的跨度一般都非常大，因此精密單點(diǎn)定位技術(shù)的特點(diǎn)就特別適合其作業(yè)。
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2.2 機(jī)載激光 LIDAR 對(duì)地定位測(cè)量原理
機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量對(duì)地定位原理如下圖 2-1 所示，假定一個(gè)激光束在空間中有一向量為 S，其模大小為|S|，三個(gè)方向角為（а、ω、），該向量 S 的起點(diǎn)為 O，其坐標(biāo)為（X、Y、Z），另一端點(diǎn) P 的坐標(biāo)（X1、Y1、Z1）。其中 O 點(diǎn)為機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)中遙感器光學(xué)系統(tǒng)的投影中心，它的坐標(biāo)可以通過 GPS 動(dòng)態(tài)差分技術(shù)或者精密單點(diǎn)定位技術(shù)來測(cè)定；飛機(jī)上所安裝的的高精度姿態(tài)測(cè)量裝置主要是用于測(cè)定向量 S 的三個(gè)方向角（а、ω、）；機(jī)載激光測(cè)距儀可以直接測(cè)定向量 S的模|S|。最后通過這些數(shù)據(jù)的解算得到 P 點(diǎn)的坐標(biāo)值，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)地的定位。另外，我們還必須考慮在實(shí)際測(cè)量過程中出現(xiàn)的一些測(cè)量系統(tǒng)的安置偏差參數(shù)，比如： GPS 天線的相位中心與激光測(cè)距儀的光學(xué)中心之間存在的偏差；激光掃描器的傾斜角、仰俯角和航偏角偏差等。為避免這些參數(shù)的影響，首先測(cè)定這些參數(shù)的大小，然后經(jīng)過一定的檢校方法加以測(cè)定并改正。
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第 3 章 點(diǎn)云及影像數(shù)據(jù)處理 .........12
3.1 軟件模塊的介紹....12
3.2 系統(tǒng)安置誤差校正及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換....13
3.3 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波分類....13
3.4 提取制作 DLG 的原始數(shù)據(jù) ..........18
3.4.1 獲取 DEM 數(shù)據(jù)...........18
3.4.2 提取關(guān)鍵高程點(diǎn)..........19
3.4.2 生成等高線..........20
3.5 影像數(shù)據(jù)制作 DOM .....21
第 4 章 粗差探測(cè)算法研究 .......24
4.1 粗差探測(cè)理論........24
4.2 基于規(guī)則數(shù)據(jù)的粗差探測(cè)算法....27
4.3 基于不規(guī)則數(shù)據(jù)的粗差探測(cè)算法........29
第 5 章 粗差探測(cè)實(shí)驗(yàn)及點(diǎn)線質(zhì)量檢查...........32
5.1 基于不規(guī)則數(shù)據(jù)的粗差探測(cè)實(shí)驗(yàn)效果........32
5.2 高程點(diǎn)與等高線的檢查........36

第 6 章 DLG 制作及精度評(píng)定

6.1 DLG 制作及關(guān)鍵問題分析
原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)、INS 數(shù)據(jù)、GPS 數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)是機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)直接采集的原始數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)需進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，內(nèi)容包括對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)中的系統(tǒng)誤差進(jìn)行檢校、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及影像外方位元素的解算等過程。一般通過預(yù)處理后的所有激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)都會(huì)存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)據(jù)層里。經(jīng)過濾波分類處理后，我們將不同屬性的點(diǎn)云都分配到各自的數(shù)據(jù)層中，這通過這些點(diǎn)云來制作 DEM 和 DLG 等數(shù)字產(chǎn)品。通過對(duì)濾波分類后的地面點(diǎn)進(jìn)行粗差探測(cè)，剔除遺留的非地面點(diǎn)，以獲得所需的地面模型關(guān)鍵點(diǎn)，最后通過內(nèi)插的方式生成高精度且規(guī)則的 DEM。以已經(jīng)通過精確分類的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)位基礎(chǔ)，再利用數(shù)字微分糾正技術(shù)逐個(gè)像素進(jìn)行糾正的，并通過鑲嵌及勻色等處理最終得到 DOM 數(shù)據(jù)包含了兩種文件格式：正射影像 DOM（.tif 格式）以及影像信息文件（.tfw 格式）。在制圖軟件中設(shè)制一定的繪圖比例尺，并導(dǎo)入已通過粗差剔除的地激光點(diǎn)云以及所制作的 DOM 正射影像，再根據(jù)不同的地物分圖層進(jìn)行矢量化。對(duì)于相對(duì)于地面高差不明顯的地物參照正射影像直接繪制。機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)所制作的DOM產(chǎn)品精度非常高，即使存在著拍攝角度和航攝高度的影響，但對(duì)于道路、地類界這些直接貼近地表面的要素，其影像是非常小的，因此我們可以以正射影像為基礎(chǔ)直接進(jìn)行矢量化。

結(jié) 論

論文對(duì)目前機(jī)載激光雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)和其應(yīng)用前景進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。以目前相關(guān)生產(chǎn)單位現(xiàn)有的制作 DLG 的生產(chǎn)模式為基礎(chǔ)，通過找到其中可以提高效率的環(huán)節(jié)加以總結(jié)和改進(jìn)，使生產(chǎn)模式得到更加完善。效率的提高主要體現(xiàn)在對(duì)等高線的處理以及對(duì)分類后地面點(diǎn)中的粗差探測(cè)上。另外還對(duì)制作 DLG 過程中出現(xiàn)的一些關(guān)鍵性問題進(jìn)行了研究和分析。通過此次論文的研究和實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了以下幾點(diǎn)：
（1）利用機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)制作 1:2000 數(shù)字線劃圖是可行的。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在獲取精確的三維坐標(biāo)同時(shí)，還可以提供高分辨率的影像數(shù)據(jù)，并通過相應(yīng)的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理可以得到精度較高的 DEM 和 DOM，進(jìn)而基于 DEM 和 DOM來制作數(shù)字線劃圖。所獲取的影像清晰度較高，制作 DLG 的工作效率較高，并減少了等高線與高程注記點(diǎn)的測(cè)繪工作，這些都是傳統(tǒng)攝影測(cè)量無法比擬的。
（2）針對(duì)后期數(shù)據(jù)處理質(zhì)量控制，我總結(jié)出在實(shí)際生產(chǎn)中保證線劃圖制作效率及精度的關(guān)鍵點(diǎn)是提高濾波后地面點(diǎn)的精度以及減少點(diǎn)與線之間的矛盾。在提高地面點(diǎn)精度方面，利用相關(guān)加以改進(jìn)后的粗差探測(cè)算法，對(duì)所得地面模型進(jìn)行粗差剔除并對(duì)剔除粗差前后的精度進(jìn)行比較，保證所得到 DLG 的精度。
（3）點(diǎn)與線矛盾檢查中，使用了相關(guān)程序?qū)Ω叱厅c(diǎn)和等高線進(jìn)行相互關(guān)系判斷，并快速定出有問題點(diǎn)，提高了人工處理等高線的效率。
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參考文獻(xiàn)（略）